橡膠半導體:讓可拉伸電子器件離商業化更近一步!

2021-01-10 環球創新智慧

導讀

近日，美國休斯敦大學在創造可拉伸的橡膠半導體方面取得重要進展，讓可拉伸的電子器件離商業化又更近了一步。

背景

傳統的電子產品與電子電路，會給我們一種「僵硬」的感覺。換句話說，它們是「剛性」的，無法彎曲、摺疊、扭轉、壓縮、拉伸。這樣不僅限制了它們的應用潛力，也會影響用戶的體驗。例如，人體皮膚是柔軟的，佩戴這些剛性的電子產品時，人們自然會感到一些不適。

（圖片來源：維基百科）

近年來，作為一個交叉學科的新興領域，柔性電子正成為未來電子產品發展的新趨勢。不同於傳統剛性電子產品，柔性電子產品能在一定範圍的形變（彎曲、摺疊、扭轉、壓縮、拉伸）條件下正常工作。柔性電子在醫療器件、機器人、顯示器、傳感器、可穿戴設備、通信器件、存儲器、電子皮膚等領域都有著廣闊的應用前景。

柔性的觸控傳感器（圖片來源：英屬哥倫比亞大學）

柔性的超聲波貼片（圖片來源：Hongjie Hu）

柔性的石墨烯NFC天線（圖片來源：Graphene Flagship）

柔性的顯示器(圖片來源：日本東北大學)

然而，目前實現可拉伸的柔性電子器件的方法，存在工藝複雜，結構可靠性差，製作成本高等缺點。

針對上述問題，美國休斯敦大學機械工程系助理教授餘存江（Cunjiang Yu）課題組在2017年曾取得一項重要科研進展。他們開發出新型橡膠半導體和導體材料，並且用這些材料製作成全橡膠電晶體，傳感器以及機器人皮膚。

（圖片來源: 休斯敦大學）

（圖片來源: 休斯敦大學）

如今，橡膠已經廣泛應用於我們生產和生活的各個方面，例如輪胎、手套、鞋子、手機套等。雖然橡膠最顯著的特點就是富有彈性，但它一般是絕緣體，所以我們很難想像將橡膠與半導體聯繫到一起，然而餘教授課題組在這方面進行了大膽的創新探索。

創新

近日，餘教授課題組在2017年研究成果的基礎上又取得了新進展。他們報告了可拉伸的電子器件方面的又一重大進展，讓該領域離商業化又更近了一步。

（圖片來源: 休斯敦大學）

2月1日，在一篇發表於《科學進展（Science Advances）》期刊上的論文中，他們概述了在創造可拉伸的橡膠半導體方面的重要進展，包括完全基於橡膠材料的集成電子器件、邏輯電路和陣列化的觸覺感知皮膚。

橡膠電晶體陣列（圖片來源：參考資料【2】）

橡膠邏輯門（圖片來源：參考資料【2】）

全橡膠的觸覺感知皮膚（圖片來源：參考資料【2】）

技術

餘教授表示，這項研究將這個概念又推進一步，帶來了更高的載流子遷移率以及集成電子器件。

研究人員們寫道：「我們報告了具有高效載流子遷移率的橡膠半導體製成的全橡膠集成電子器件，它是通過將金屬碳納米管摻入到有機半導體納米纖維滲透的橡膠半導體中製作而成的。載流子遷移率的提升，是通過提供高速路徑來實現的，從而縮短了載流子的運輸距離。」

高效載流子遷移率的可拉伸的橡膠電晶體，基於m-CNT摻雜的P3HT-NFs/PDMS。（圖片來源：參考資料【2】）

載流子遷移率，或者說，電子通過材料的速度，對於電子器件的成功運作來說非常關鍵，因為它支配了半導體電晶體放大電流的能力。

之前，可拉伸的半導體一直受制於低載流子遷移率，以及複雜的製造要求。這項研究中，研究人員們發現，將微量的碳納米管摻入聚二甲基矽氧烷複合材料（P3HT）橡膠半導體中，有利於提升載流子遷移率。它提供了一條正如餘教授所描述的「高速公路」，加速了半導體中的載流子輸運。

價值

餘教授表示，這項研究將導致機器人皮膚、植入式生物電子器件、人機接口等智能設備出現重要進展。

未來

餘教授表示，未來的研究包括進一步提升載流子遷移率，構造更加複雜、分層且高度集成的數字電路，從而滿足集成電路、生物醫學以及其他應用的需求。

關鍵字

集成電路、機器人、柔性電子

參考資料

【1】http://www.uh.edu/news-events/stories/2019/february-2019/02012019yu-rubbery-electronics.php

【2】Kyoseung Sim, Zhoulyu Rao, Hae-Jin Kim, Anish Thukral, Hyunseok Shim and Cunjiang Yu. Fully rubbery integrated electronics from high effective mobility intrinsically stretchable semiconductors. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aav5749

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